Guide 6e - De quoi est fait le monde ? Matière et matériaux

Séquence 3.2 : Comment provoquer des changements ?
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Pour influer sur les changements, l’homme doit s’adapter aux spécificités de chaque matière. Une fois le changement effectué, l’homme doit s’assurer qu’il correspond bien à ses attentes en contrôlant le changement (la pièce a les bonnes dimensions, la plante a une croissance correcte, …).
Publication : 26 février 2013

Séquence 3.2 : Comment provoquer des changements ?

Fil directeur : Pour influer sur les changements, l’homme doit s’adapter aux spécificités de chaque matière. Une fois le changement effectué, l’homme doit s’assurer qu’il correspond bien à ses attentes en contrôlant le changement (la pièce a les bonnes dimensions, la plante a une croissance correcte, …). 

3.2.1. En créant des conditions favorables au vivant

Matériel nécessaire :

Plantes (jeunes choux par exemple ou boutures de misère), récipients transparents, tuyaux, eau de chaux.

Aérateur d’aquarium, demi-bouteille, bâche plastique, charbon de bois, solution nutritive pour végétaux verts.

Situation déclenchante et exemples d’activités :

Au XVIIème siècle, Van Helmont pense que l'eau contient toutes les substances nutritives nécessaires au développement des plantes. Les élèves vont chercher à vérifier ses conclusions.

                            

Jour 1              5 ans plus tard                          

« D'où proviennent les 75,8 kg de matière constituant l'arbre ? »

  • de l'eau ?
  • du sol ?
  • de l'air ?

On cherche si la plante peut se développer sans eau. On se rend compte que sans arrosage, les plantes flétrissent rapidement. Donc l'eau est indispensable à la croissance des plantes.

On cherche si la plante peut se développer sans sol, avec seulement de l'eau.

On teste si les engrais du commerce ont un rôle sur le développement de la plante. On pourra s'inspirer du montage suivant (le charbon de bois limite les contaminations bactériennes) :


Comme l'avait pensé Van Helmont, le sol n'est pas indispensable au développement des végétaux. Toutefois, on constate que l'eau contenant de l'engrais est plus favorable à la croissance que l'eau distillée. On peut donc supposer que l'eau d'arrosage seule ne suffit pas à faire grandir la plante. L'eau doit contenir certaines substances qui peuvent être fournie par de l'engrais ou par le sol.

Van Helmont n'a pas pensé au rôle de l'air dont la matérialité a été démontré dans le module 1.

On cherche si la plante peut se développer dans n'importe quel air.

Au préalable, l'enseignant peut présenter deux situations à partir desquelles les élèves peuvent se questionner sur la composition de l'air :

- une bougie est mise dans un récipient contenant de l'air. La bougie continue à brûler jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'oxygène dans le récipient.

- la bougie est mise dans un autre récipient, contenant du CO2. La bougie s'éteint très vite.

Bien que les deux gaz semblent les mêmes, ils ont des propriétés différentes. Les élèves font ensuite une recherche sur les composants de l'air (oxygène, azote, CO2, helium...) et leurs propriétés. On retiendra en particulier que le CO2 trouble l'eau de chaux, ce qui constitue un bon moyen de le mettre en évidence.

A la suite de cette recherche, l'expérience suivante pourra être réalisée pour tester l'importance du CO2 dans la croissance des végétaux. La potasse permet d'appauvrir l'air en CO2.

Le montage proposé n'offre pas une étanchéité totale au niveau du sac en plastique tenu par un élastique : la pompe d'aquarium provoque une légère surpression dans le dispositif qui permet la circulation de l'air dans un seul sens  (comme dans les chambres stériles).

L'eau de chaux placée près de la plante ne doit pas se troubler tant que cette dernière est constamment placée à la lumière (le CO2 produit au cours de la respiration est alors entièrement consommé au cours de la photosynthèse) et tant que la potasse n'est pas saturée. Sous éclairage continu, le trouble de l'eau de chaux sera donc un indicateur de saturation de la potasse (qui ne peut absorber indéfiniment du CO2 et qu'il conviendra alors de renouveler).

La plante témoin a mieux poussé que la plante sans CO2, cela montre qu'une partie de la matière de l'air (le CO2) est nécessaire pour faire pousser la plante. Cette matière gazeuse s'est transformée en matière solide.

En plus de ces besoins de matière, on peut facilement montrer que les plantes ont besoin de lumière pour se développer. Il suffit de placer les végétaux dans différentes conditions d’éclairement, en maintenant par ailleurs tous les autres facteurs constants.

 

Notions essentielles :

En l'absence d'eau, les plantes meurent.

En l’absence de CO2, les plantes dépérissent.

Les plantes peuvent pousser sans sol, à condition que des sels minéraux soient fournis avec l’eau. Elles ont besoin de lumière.

La matière de la plante provient de la matière du sol, de l’eau et de l’air.

3.2.2. Comment dessaler de l'eau ?

Matériel nécessaire : eau, sel, moyen de chauffage, divers récipients, cellophane.

Situation déclenchante et exemples d’activités :

On demande aux élèves comment faire pour « déclencher » la fonte rapide d’un glaçon ou faire

Évaporer de l’eau liquide. Leurs observations devraient les inciter à chauffer ou refroidir de l'eau. Les élèves devront ensuite prédire ce qui va se passer, par exemple : « la température augmente, augmente… et tout d'un coup on observe des bulles ».

On leur demande d'imaginer un protocole permettant de tester leurs hypothèses sur ces changements, éventuellement de tracer un graphique « Température en fonction du temps ». Les élèves constatent que la température reste stable au moment de la vaporisation, alors même que l’on continue de chauffer. Souvent les élèves confrontés à cette observation pensent que le thermomètre est défectueux. Il convient de recommencer avec un autre thermomètre dont on a vérifié au préalable le bon fonctionnement… et la même observation se répète.

Changer la température est-il le seul moyen de faire changer l'eau d'état ?

On pourra faire bouillir de l'eau à des températures inférieures à 100°C en utilisant une trompe à eau, qui permet de réduire la pression.

Il est nécessaire de bien faire la distinction entre vaporisation et évaporation. Le premier terme décrit le changement d'état que l'on observe en faisant bouillir de l'eau (à une température fixe sous une pression donnée). L'évaporation est le changement d'état qui a lieu lorsque l'on fait sécher du linge mouillé (à une température plus basse que celle de la vaporisation).

2) On cherche à fabriquer un système pour fabriquer de l'eau douce à partir d'eau salée.

On pourra, au préalable, faire bouillir de l'eau salée. A la fin de l'ébullition, seul le sel reste dans le récipient.

« Où est partie l'eau ? » L'eau s'est évaporée, laissant le sel au fond du récipient.

« Comment obtenir de l'eau liquide à partir de la vapeur ? » Il faut refroidir la vapeur.

On pourra ensuite fabriquer un « dessalinisateur », en utilisant un récipient dans lequel on chauffe de l'eau salée. Le récipient est fermé par un film de cellophane sur lequel la vapeur d'eau se condense. L'eau douce sera récupérée dans un second récipient.


Notions essentielles :

En chauffant ou en refroidissant de l'eau, on peut la faire changer d'état.

A la pression atmosphérique, les changements d'états de l'eau se font à une température constante (0°C ou 100°C).

3.2.3. En façonnant les matériaux 

Matériel nécessaire : Échantillons de matières solides brutes (rondin de bois, billes de polymères, tôle d’acier, tuyau de cuivre, …) et pièces façonnées à partir d’échantillons de matière identiques à ceux présentés.

Situation déclenchante et exemples d’activités :

L’enseignant propose aux élèves, répartis en groupes, d’identifier les différents matériaux présents. Puis, en fonction des propriétés de chaque matériau, de faire des hypothèses sur le type de procédés de fabrication utilisé. Les résultats sont confrontés en classe entière.

Par exemple, pour obtenir une cornière métallique nécessaire à la construction de la serre (élément formant un angle droit destiné à assurer une liaison mécanique), il a fallu choisir le matériau, l’épaisseur, plier et percer.

L’enseignant poursuit le travail en proposant aux élèves de vérifier leur prévisions en mettant en œuvre les procédés de fabrication. Les élèves de chaque groupe comparent les pièces réalisées et s’aperçoivent qu’elles ne sont pas toutes identiques.

L’enseignant pose alors la question : « Est-ce que toutes les pièces sont bonnes ? ». Le débat arrivera rapidement sur les questions « Qu’est-ce qu’une pièce bonne? » (la notion de tolérance sera alors abordée) et « Comment peut-on savoir si une pièce est bonne ? ». Les élèves devront alors imaginer un procédé de vérification et le mettre en œuvre.

Notions essentielles :

Les matériaux solides peuvent être façonnés par l’homme.

Tous les matériaux ne se façonnent pas de la même manière.

Après avoir réalisé une pièce, il est nécessaire de la contrôler pour s’assurer de sa conformité.

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